Spannung ohne Strom messen

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Angenommen, ich habe einen Kondensator und möchte dessen Ladungsabfall mit der Zeit beobachten. Wie kann ich das tun, ohne die Entladerate durch Messung zu beeinflussen?

AFAIK ein typisches Voltmeter lässt Strom durch einen bekannten Widerstand fließen, um die Spannung zu bestimmen, dies würde jedoch den zu messenden Kondensator entladen. Mit zunehmender Komplexität man könnte verringern den Strom erforderlich ist, um eine genaue Messung zu machen, und dann verringern die Häufigkeit der Messungen, sondern in der Grenze Die Messungen werden noch Drain einige Spannung.

In der hydraulischen Analogie ist es möglich, den Druck (die Spannung) zu messen, indem ein Federmesser auf einen Kolben aufgesetzt wird, der auf die beiden Seiten des Reservoirs auftrifft. Es fließt kein Wasser von einer Seite zur anderen, aber wir erhalten eine konstante Anzeige des Drucks.

Gibt es ein Messgerät, einen Mechanismus oder eine Schaltung, die dies für die Spannung an einem Kondensator oder einer anderen Stromversorgung tun können?

Füße
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Haben Sie ein Blattgold-Elektroskop zur Verfügung? Mit einem Elektroskop .
Andrew Morton
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@ AndrewMorton - Jonks Antwort scheint dies vorzuschlagen. Ich versuche immer noch ein Gefühl dafür zu bekommen, welche Sensibilität und Präzision man erreichen kann. (Neugierig, ob es sich nur um Anleitungsspielzeug handelt oder ob es ein modernes Werkbank-Elektroskop gibt, das für genaue Messungen konzipiert ist, anstatt nur Feldeffekte zu veranschaulichen /
abzuschätzen
@Optionparty - AFAIK, die nicht für die Selbstentladung des Kondensators gilt: Dies geschieht durch den Isolator, nicht zwischen den Elektroden.
Feetwet

Antworten:

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Abgesehen von den praktischen Lösungen für die Physik besteht die praktische Möglichkeit darin, einen Operationsverstärker mit sehr geringem Eingangsvorspannungsstrom in einer Pufferkonfiguration zu betreiben. Einer dieser Operationsverstärker mit einem richtig gestalteten Layout kann bis zu einstelligen Femtoampere des Stroms aus Ihrer Kappe ziehen, was Störungen so gut wie vernachlässigbar macht, insbesondere wenn Sie den Verstärker nur an die Kappe anschließen, wenn Sie eine Messung durchführen.

Die analoge Legende Bob Pease beschreibt die Messung der Leckage einer Polypropylenkappe mit dieser Methode:

Jetzt lade ich einige meiner Lieblingskondensatoren mit geringen Leckströmen (z. B. Panasonic Polypropylen 1 µF) für eine Stunde auf 9,021 V Gleichspannung (eine Zufallsspannung) auf. Ich lese den VOUT mit meinem bevorzugten Gleichverstärkungsfolger mit hoher Eingangsimpedanz (LMC662, Ib, ca. 0,003 pA) und puffere ihn in meinen bevorzugten sechsstelligen Digitalvoltmeter (DVM) (Agilent / HP34401A) und überwache den VOUT einmal a Tag für mehrere Tage.

[...]

Day 0: 9.0214 V
Day 1: 9.01870 V
Day 2: 9.01756 V
Day 6: 9.0135 V
Day 7: 9.0123 V
Day 8: 9.01018 V
Day 9: 9.00941 V
Day 11: 9.00788 V
Day 12: 9.00544 V
Day 13: 9.00422 V

Am ersten Tag nach einer Stunde Einweichen betrug ihre Leckrate so gut wie 2,7 mV pro Tag. Nicht schlecht.

Wenn Sie einen solchen Aufbau automatisieren müssen, weist ein gutes, altmodisches Reed-Relais im Grunde genommen einen vernachlässigbaren Verlust auf (besser als sogar moderne analoge Halbleiterschalter) und kann verwendet werden, um Ihren Verstärker kurz an den zu testenden Kondensator anzuschließen, um einen Messwert abzulesen .

Peter
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Wow ... femtoAmp-Sekunden. Wenn Sie es so ausdrücken, bin ich geneigt zuzustimmen, dass diese Frage nur aus theoretischer Sicht interessant ist.
Feetwet
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Drat, du hast Bob Pease erwähnt, als ich meine Antwort schrieb :)
pjc50
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Wenn Sie einen "perfekten" Kondensator mit niedriger Kapazität (möglicherweise 20 pF von Platten im Vakuum) eintauschen könnten, könnten Sie die Leckage aus dem Operationsverstärker / Gerät kalibrieren und sogar noch geringer werden. 3fA / 20pF würde sich leicht gemessen um +/- 150uV / Sekunde ändern.
Spehro Pefhany
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"Vor allem, wenn Sie den Verstärker nur an die Kappe anschließen, wenn Sie eine Messung durchführen." Beachten Sie, dass das Eingangsverhalten solcher Operationsverstärker kapazitätsdominiert ist. Das Trennen des Verstärkers zwischen den Messwerten führt daher wahrscheinlich nicht zu einer wesentlichen Verbesserung.
Peter Green
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Im Allgemeinen benötigen Sie zur Messung eines elektrischen Feldes ein Elektrometer . Die älteren Blattgold-Elektroskope arbeiten durch die statische Abstoßung zwischen gleichen Ladungen, und wenn sie aus idealen Materialien hergestellt sind, würde keine Ladung auslaufen.

Wenn Sie jedoch wirklich in der Differenz zwischen einem winzigen Strom und zu interessieren , ohne Stromfluss, eine große Anzahl von Problemen auftreten. Alle Ihre Versuchsapparate haben einen endlichen (aber sehr großen) Widerstand. Elektronen tunneln gerne einen kurzen Weg durch feste Objekte. Alpha-Zerfall in den Materialien erzeugt eine Ladung. Streuladung driftet in die Winde, oder Spannung wird durch vorbeiziehende Felder induziert.

Der legendäre Bob Pease hat einige gute Artikel zu diesem Thema: What's All This Teflon Stuff, Anyhow? und was ist das für ein Femtoampere-Zeug?

pjc50
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Verschiedene Nicht-Operationsverstärker-Elektrometer: Vibrations-Reed-Elektrometer für Mikroskalen, Feldmühlen-Elektrometer, Wobbulator-Elektrometer (Vibrationsplatten-Elektrometer), Quadranten-Elektrometer (ein Messgerät mit beweglichen Kondensatorschaufeln, geeignet für 200 V bis 30 kV im Vollbereich.) Sensitive Research Inc. " Quadranten-Elektrometer gibt es bei eBay normalerweise für ~ 100 US-Dollar pro Stück. Der Schwachpunkt bei diesen ist die Oberflächenreinheit und -feuchtigkeit bezüglich. ihre isolierenden Pfosten (Teflon, Keramik, Phenol usw.) Lange dünne Isolatoren sind am besten, heh, Teflon-Spinnennetze als physikalische Träger?
Wbeaty
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Die besseren Methoden hängen von der Spannungsdifferenz ab, die Sie messen möchten. Gleiches gilt für Ihre hydraulische Analogie.

Aber Ihre hydraulische Analogie versagt in einer anderen Hinsicht völlig. Die auf Elektronen in einem Leiter wirkenden Beschleunigungskräfte werden durch sehr wenige Ladungen verursacht. Ich glaube nicht, dass Sie ein Gefühl dafür haben, wie wenig Elektronen an der Oberfläche eines Leiters benötigt werden, um signifikante mittlere Geschwindigkeiten für Ladungen in einem Draht zu beschleunigen. Wenn Sie einen Draht in eine U-Form biegen, sind möglicherweise nur ein oder zwei zusätzliche Elektronen an der Biegung erforderlich, um die Stromstärke vollständig umzuleiten.

Sie können Hochspannungsunterschiede messen, da die Ladungsdifferenz den Punkt erreicht, an dem empfindliche Stellen (z. B. Markkugeln auf einem haarähnlichen Faden) erfolgreich angewendet werden können. In diesem Fall ist die Auswirkung auf den Strom aufgrund sehr geringer Kolbenbiegungen genauso vernachlässigbar wie die momentane Auswirkung Ihres Hydraulikbeispiels.

Bei kleinen Spannungen funktioniert dies nicht, da der Ladungsunterschied so klein ist und ein endlicher Abstand von der blanken Leiteroberfläche die winzige Kraft stark verringert.

VoltMeterNewtonCoulomb1,346×1010Coulombm34.5×10-3m2Vs1mm2300mA5μVmm

Die Ladungsdifferenz über vernünftige Entfernungen, die erforderlich ist, um diesen Strom anzutreiben, ist vernachlässigbar (sie liegt vollständig auf der bloßen Oberfläche des Leiters), und Sie wären nicht in der Lage, ein Instrument einzurichten, um ihn in einer endlichen Entfernung zu messen. Die einzige Möglichkeit, diese Arbeit zu erledigen, besteht darin, irgendwann einen Leiter zur Oberfläche dieses anderen Leiters hinzuzufügen und diese winzigen Ladungsunterschiede auf ihre atomaren Skalen einwirken zu lassen, sodass ihre unglaublichen Kräfte auch Elektronen in Ihrem Messgerät antreiben können. Kurz gesagt, müssen Sie einen Strom fließen lassen, da dies IST die empfindlichste Art und Weise zur Verfügung (bei nicht-Militärhaushalt Ebenen) , um diese Druckmessungen in der Elektronik zu machen.

Natürlich ist es schön, über Analogien nachzudenken. Aber wie Sie bereits wissen, ist die Waage auch ankommt. Es gibt einen großen Unterschied zwischen den Abständen, die Galaxien trennen, und den Kräften, die auf dieser Ebene sinnvoll wirken, und den Abständen, die Atome trennen, und den Kräften, die auf dieser Ebene sinnvoll wirken. In einer taktileren Ebene, als wir Menschen denken können, gibt es einen großen Unterschied zwischen den Kräften, die für uns wichtig sind, um zu gehen und die Traktion zu erlangen, und den Kräften, die auf Fruchtfliegen wirken, die leicht auf den Oberflächen von Wänden und landen können die Decke, weil die Schwerkraft in ihrem Maßstab weit weniger wichtig ist als die statische Aufladung und die Rauheit für sie.

Auch der Maßstab spielt eine Rolle.

Die Analogie schlägt hier also fehl. In der Elektronik ist der beste Weg, um diese extrem empfindlichen und winzigen Kräfte zu messen, die alles sind, was benötigt wird, um praktische Ströme in Schaltkreisen anzutreiben, ein Messsystem einzurichten, das auf sie reagieren kann. Dies bedeutet, dass ein Strom beeinflusst werden kann. Es gibt nichts Sensibleres als das.

Trotzdem komme ich auf die Tatsache zurück, dass Sie immer noch Messungen ohne Strom durchführen können, wenn die Spannungsunterschiede groß genug sind, um eine ausreichende Ladungsdifferenz für die Messung festzulegen.

jonk
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Gute Erklärung und Hintergrund. Können Sie eine Schätzung der Stärke der Spannungsunterschiede zwischen Kondensatorstiften hinzufügen, die durch Feldeffekte messbar sein sollten ?
Feetwet
@feetwet Eine Vorstellung der benötigten Spannungen finden Sie unter youtube.com/watch?v=8BQM_xw2Rfo .
Jonk
@feetwet Übrigens, wenn Sie dieses Video anschauen, beachten Sie, dass ihr Test tatsächlich nur sehr wenige Elektronen überträgt, die im Kabel selbst ausgetauscht werden müssen, um weiterarbeiten zu können. Es hat also einen momentanen Einfluss auf den Strom - nur keinen, den Sie messen könnten. Über diesen Hydraulikdrucksensor sprechen Sie, der auch nur vorübergehende und sehr kleine Auswirkungen hat, wenn Änderungen auftreten.
Jonk
Ja, das ist ein hilfreiches Video. In der Tat, würden Sie nicht haben zu „stehlen“ Ladung von dem Kondensator , wenn Sie die Folie aus einer anderen Quelle vorgeladen. Es genügt zu beachten, dass kV-Unterschiede ausreichen, um statische , mechanische Effekte zu erkennen. Wenn Sie es nun mit einem Stück Folie an einer Schnur bei diesen Spannungen tun können, erscheint es mir plausibel , dass ein sorgfältig entworfenes Messgerät (das seine eigene "Sensorplatte" auf eine beliebige Spannung aufladen könnte) 1- 3 Größenordnungen empfindlicher / präziser, was dies in den Bereich des Workbench-Dienstprogramms bringen würde. Klingt das richtig? Gibt es solche Zähler?
Feetwet
@feetwet Diese winzigen Ladungen, die sich an der Oberfläche ansammeln, können vernünftigerweise als Bruchteil einer Elektronenladung betrachtet werden. Nichts, was Sie sich vorstellen können, ist NIRGENDWO so empfindlich wie das Platzieren eines Leiters bei Ladungen, bei denen die Entfernungen in Angström gemessen werden und die Kräfte daher sinnvoll wirken können. In dem Moment, in dem Sie zurücktreten und versuchen, einen Feldeffekt in messbaren Entfernungen des Menschen anzuwenden, sind diese Kräfte so gut wie null und schwer zu messen.
Jonk
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um eine Spannung ohne Stromfluss zu messen.


Als erstes fällt mir der piezoelektrische Effekt ein. Sie müssten genügend Ladung von Ihrem Kondensator übertragen, um den Kristall auf die gleiche Spannung aufzuladen, aber danach würde kein Strom mehr fließen. Dies ist die engste Analogie zu Ihrem Hydraulikmanometer. Sie würden die Spannung an dem Betrag ablesen, um den sich der Kristall biegt.

Denken Sie an etwas wie eine Kristall-Phonographen-Patrone. Bewegungen von zehn bis hundert Mikrometern führen zu Spannungen in der Größenordnung von Millivolt, und dieser Effekt funktioniert umgekehrt. Offensichtlich benötigen Sie ein Mikroskop, um die Bewegung zu erfassen - von einem gewöhnlichen optischen Mikroskop bis zu einem Tunnelstrommikroskop, das in der Tat sehr empfindlich ist.


Lesen Sie für die zweite Methode die ursprüngliche Definition des Potentiometers nach , die sich auf ein System bezog, das nicht nur den bekannten variablen Widerstand mit drei Anschlüssen, sondern auch eine genaue Spannungsreferenz und ein Galvanometer zur Strommessung enthielt .

Per Definition ist der Strom durch das Galvanometer Null, wenn der Widerstand auf die unbekannte Spannung eingestellt ist.

Die Verwendung eines Potentiometers zur Messung der Selbstentladung eines Kondensators ist offensichtlich problematisch, da das Potentiometer selbst, sobald die Kondensatorspannung ein wenig abfällt, Strom liefert, um den Kondensator wieder aufzuladen. Daher müssen Sie den Widerstand ständig anpassen, um das Galvanometer auf Null zu halten.

Natürlich können Sie das System einfach ins Gleichgewicht bringen und den Leckstrom des Kondensators direkt vom Galvanometer ablesen, vorausgesetzt, es hat eine kalibrierte Skala.

Dave Tweed
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Ich stimme zu, der piezoelektrische Effekt entspricht dem des Hydraulikmanometers. Die Wände des Kristalls werden proportional zur angelegten Spannung abgelenkt. Wenn sich der Kondensator entlädt, kehren die Wände in ihren "normalen" Zustand zurück. Mit einem kalibrierten Mikroskop können Sie die Wandbewegung in eine Obergrenze der Spannung umwandeln, ohne dass ein Stromfluss erforderlich ist!
Guill
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Wenn Ihre Spannung hoch genug ist, können Sie eine Feldmühle verwenden.

dünn
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OK: Ich habe einen Kondensator auf meiner Werkbank. Wie messe ich mit einer Feldmühle die Spannung an den Klemmen, ohne dass Strom zwischen den Klemmen fließt?
Feetwet
Einen der Pfosten zu einer größeren Platte "verlängern". Wenn Sie Ihre Feldmühle in der Nähe betreiben, haben Sie die Spannung gegen Erde. Wenn Sie die Differenz benötigen, verwenden Sie zwei Platten, messen Sie beide und subtrahieren Sie eine Spannung von der anderen. Es mag möglich sein, es an einem der Pole zu "erden", aber ich habe noch nie damit experimentiert, nur Differential zu Erde.
Winny
Ich habe noch nie davon gehört, dass dies auf nichtionisierende Spannungen angewendet wird, und bin mir nicht sicher, wie es diese erkennen könnte. Können Sie eine Schätzung der Spannungsempfindlichkeit vornehmen oder einen Vergleich vornehmen?
Feetwet
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Warten Sie eine Minute: Wenn die Feldmühle eine Ladung aufnimmt , muss sie diese aus dem Kondensator entnehmen, oder? Das heißt, wenn ein Feldmühle kann Spannung an Kondensatoranschlüssen messen dann wird es die Spannung des Kondensators reduzieren während der Ausführung, die das gleiche Problem mit einem herkömmlichen Voltmeter ist ich mich gefragt, ob man es vermeiden kann.
Feetwet
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Ladung stehlen? Nein, eine Feldmühle ist wie ein Dirigent in der Nähe, aber sie wackelt. Es kann wenige Meter vom gemessenen Objekt oder mm entfernt sein. mV Auflösung oder 100KV. Ja, es werden kleine Wechselstrom-Ladungseffekte im Messobjekt erzeugt. Aber keine Gleichstromleckage. (Die Feldmühle ist im Grunde ein elektrostatischer Generator, bei dem das gemessene Objekt die "Feldplatte" des Generators ist, die niemals berührt wird und daher keine Gleichstrom-Femtoampere gezogen werden. Jegliche Energie im gemessenen Spannungssignal kommt ausschließlich von der eingespeisten mechanischen Energie in die beweglichen Teile, NICHT von den Feldplatten des Generators.)
am
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Der Physiker hier wird wahrscheinlich wegen dieser theoretischen Antwort aus der SE-Site ausgelacht, aber hier ist:

Warum den Strom nicht störend messen? Ideen:

  1. Setzen Sie ein Amperemeter auf einen Zweig des Kondensators. Integrieren Sie den Strom über die Zeit.
  2. Sammeln Sie die verlorene Ladung auf einem viel größeren Kondensator, der ständig überwacht wird.
  3. Messen Sie das elektrische Feld innerhalb des Kondensators (unter der Annahme von parallelen Platten oder einer anderen zugänglichen Geometrie).

Viele Niederdruckmanometer setzen auf die Ionisierung von nur wenigen Atomen pro Sekunde und messen den Strom, der von den jetzt freien Elektronen verursacht wird, die auf eine Kathode treffen. Warum nicht die Inverse verwenden und die Spannung über dem geladenen Kondensator verwenden, um Ionen im Hochvakuum abzulenken und ihre Änderung in der Flugbahn zu messen?

user1717828
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Die allerletzte Idee klingt interessant und klingt tatsächlich so, als könnte sie zu einem praktischen und empfindlichen Bankmeter werden. Ich frage mich, ob es eine kommerzielle Inkarnation davon gibt. # 3 ist mit den meisten praktischen Kondensatoren nicht möglich, obwohl Sie die Leitidee in anderen Antworten und Kommentaren sehen können, ist die Feldmessung an den Klemmen des Kondensators. 1 und 2 sind in diesem Fall nicht hilfreich, da die Idee darin besteht, die isolierte Selbstentladungsrate des Kondensators zu untersuchen. Das wird nicht zu denselben Daten führen, wenn wir "sie entladen, aber verfolgen, welche Entladung auf die Messung zurückzuführen ist".
Feetwet
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Sie können einen AD549 (kostet ca. 30 EUR) als Unity Gain Follower verwenden. Der Eingangswiderstand ist größer als der Widerstand der Standard-Drahtisolierung oder des Standard-PCB-Materials in einer typischen Schaltung.

Hinweis: Es gibt einen Tippfehler im AD549-Datensatz (2014), Seite 9, es sollte Pin 6 sein, auf dem Pin 5 gedruckt ist.

Sie sollten nach den Weißtafeln von Keithley (jetzt Tektronix) für Schwachstrommessungen suchen. Leider ist die Website so benutzerunfreundlich, dass ich keine Möglichkeit gefunden habe, einen Link zu erstellen.

Wenn Sie etwas Intelligenteres brauchen, können Sie eine Spannung an den Kondensator anlegen und diesen so regeln, dass kein Strom fließt. Dies ist jedoch nicht trivial und macht nur unter Laborbedingungen Sinn, mit sehr teuren, rauscharmen Kabeln, guter Abschirmung, stabilen Temperaturen ...

Werfen Sie einen Blick in die Handbücher von

  • Keithley Nanovoltmeter Modell 2182A
  • Keysight NanoVolt Mikro-Ohmmeter 34420A
Jonas Stein
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ΩΩ ). Während einer Spannungsmessung fließt fast kein Strom in das Messgerät. Gleiches gilt für ein Oszilloskop.

ich=VShunt/RShunt

Durch Messen des Spannungskondensators mit einem hochohmigen Messgerät fließt Ladung aus dem Kondensator in das Messgerät. Ob dies Ihre Ergebnisse verzerrt oder nicht, hängt vom Rest der Strecke und genau dem ab, was Sie messen möchten.

Beachten Sie, dass echte Kondensatoren nicht ideal sind und sich mit der Zeit auf natürliche Weise entladen. Abhängig von der Art des Kondensators ist diese Selbstentladung signifikant oder nicht. Hochwertige Folienkondensatoren sind sehr stabil und können je nach den Umständen stunden- oder tagelang aufgeladen werden. Aluminium-Elektrolyse, nicht so sehr.

ΩΩ

vofa
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Was Sie beschrieben haben, ist der Mechanismus zur Spannungsmessung, den ich in der Frage beschrieben habe. Ich erkenne an, dass der Stromfluss in einem typischen Voltmeter absolut gesehen klein ist, aber solange er nicht Null ist und kontinuierlich ist, wird er für einen Kondensator, eine Spannung und / oder eine Dauer immer von Bedeutung sein .
Feetwet
Im Allgemeinen kann jeder Messfaktor signifikant oder unbedeutend sein. Ein sehr kleiner Strom fließt durch den Eingangsabschlusswiderstand (1-10Meg) im Messgerät. Aber ist Ihr Kondensator in Ihrem Stromkreis vollständig isoliert? Gibt es Pfade im Stromkreis, über die Ladung viel schneller aus dem Kondensator abfließen kann als über den Zähler? Ein kleiner Stromfluss ist in der physischen Realität unvermeidlich. Ob es signifikant ist oder nicht, kann im Allgemeinen nicht beantwortet werden.
Vofa
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Diese Frage ist nichts anderes als die Messung der Selbstentladungsrate des Kondensators. Ich frage, ob es in der Praxis (oder sogar theoretisch) möglich ist, dies zu tun, ohne einen Stromfluss zwischen den Anschlüssen des Kondensators zu erzeugen (anders als trivial in dem Moment, in dem das Messgerät angeschlossen ist). Ihr Kommentar besagt, dass der aktuelle Fluss unvermeidbar ist . Dies gilt für Spannungsmesser der von uns beschriebenen Art. Aber gibt es ein Gesetz oder einen Beweis dafür, dass es im Prinzip für die Spannungsmessung gilt?
Feetwet
Das Spannungsmessgerät hat einen gewissen Eingangswiderstand. Wenn Sie diesen Widerstand erhöhen, fließt weniger Strom. Selbst bei 100 Teraohm und 1 V fließen 10 fA. Wenn dieser Strom 1 Sekunde lang fließt, sind über 600.000 Elektronen durch den Abschlusswiderstand geflossen. Meines Wissens wird niemals ein Nullstrom fließen. Sie können einen erstaunlich geringen, völlig irrelevanten Stromfluss haben, aber nicht Null. Diese Seite könnte helfen: robotroom.com/Capacitor-Self-Discharge-1.html
vofa
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Ich habe dies nicht abgelehnt, aber ich denke, dass das Öffnen mit der Aussage, dass die Frage falsch ist, hier nicht zutreffend ist.
pjc50
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Messen Sie die momentane Spannung über der Kappe mit einem Oszilloskop mit hoher Eingangsimpedanz. Dies ist für praktische Zwecke ausreichend.

David William Lewis
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Die Eingangsimpedanz eines typischen Oszilloskops kann 10 MΩ oder 100 MΩ betragen. Wenn Sie den Rest der Diskussion auf dieser Seite lesen, werden Sie feststellen, dass eine solche Impedanz immer noch viel zu niedrig ist.
uint128_t